編者按
鐵死亡，是一種由高度不飽和磷脂的過氧化修飾的過量聚集引起的細(xì)胞應(yīng)激性死亡途徑。當(dāng)這種被氧化破壞的脂質(zhì)達(dá)到致死水平，就會引發(fā)細(xì)胞不可逆死亡。近年來，隨著基因編輯、AI技術(shù)等的不斷發(fā)展，斑馬魚在鐵死亡研究中的應(yīng)用越來越廣泛。通過構(gòu)建斑馬魚模型，不僅可以揭示鐵死亡的分子機(jī)制和調(diào)控路徑，為癌癥、心血管、視力等相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供新的思路和方法，也為高通量藥物篩選、中藥藥效物質(zhì)、新污染物研究提供了有力的工具。
本期我們分享近期發(fā)表的幾篇基于斑馬魚模型開展鐵死亡研究的最新成果~~~
01、利用斑馬魚揭示W(wǎng)IPI4缺失導(dǎo)致自噬非依賴性鐵死亡
文章題目
Loss of WIPI4 in neurodegeneration causes autophagy-independent ferroptosis
雜志：Nature Cell Biology（IF=21.3）
發(fā)表時(shí)間：2024年3月7日
作者：David C. Rubinsztein，Ye Zhu, Motoki Fujimaki等
單位：劍橋大學(xué)分子神經(jīng)遺傳學(xué)系，英國癡呆癥研究所，劍橋醫(yī)學(xué)研究所等
文章主題：
β-螺旋槳蛋白相關(guān)神經(jīng)退行性變（BPAN）是一種罕見的x-連鎖顯性遺傳疾病，常表現(xiàn)為神經(jīng)退行性變和腦鐵積累等。編碼WIPI4的WD重復(fù)結(jié)構(gòu)域45（WDR45）基因突變會導(dǎo)致BPAN功能喪失，但這些突變?nèi)绾斡|發(fā)病理過程的細(xì)胞機(jī)制尚不清楚。鑒于WIPI4參與自噬這一降解途徑，因此，一些文獻(xiàn)認(rèn)為BPAN僅僅是自噬缺陷的結(jié)果。
本研究表明，在細(xì)胞培養(yǎng)和斑馬魚模型中，WIPI4缺失都會通過一種不依賴于自噬的機(jī)制導(dǎo)致一種由脂質(zhì)過氧化誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡——鐵死亡。WIPI4缺失會增加ATG2A在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體接觸位點(diǎn)的定位，從而增強(qiáng)磷脂酰絲氨酸進(jìn)入線粒體。這導(dǎo)致一種容易過氧化的主要脂質(zhì)——磷脂酰乙醇胺的線粒體合成增加，從而引發(fā)鐵死亡。這一機(jī)制與經(jīng)典的鐵垂病刺激幾乎沒有重疊，但為了解BPAN中神經(jīng)退行性變的原因提供了新見解，并可能為治療策略提供線索。
圖1 WIPI4功能喪失導(dǎo)致斑馬魚鐵死亡
WIPI4突變會導(dǎo)致BPAN患者中該蛋白穩(wěn)定性降低，使用靶向WDR45的siRNA來耗盡WIPI4，以模擬培養(yǎng)的癌細(xì)胞系中的疾病狀況。研究人員在Rho蛋白：EGFP（增強(qiáng)型綠色熒光蛋白基因）斑馬魚中，注射靶向wdr45的CRISPR引導(dǎo)物被證實(shí)可以沉默wdr45的表達(dá)，并在受精后10天導(dǎo)致光感受器變性以及壽命縮短（圖1a)。
從5開始使用Fer-1處理d.p.f.到10d.p.f.挽救了wdr45靶向CRISPR的敲低導(dǎo)致的光感受器的丟失，但Fer-1沒有影響未注射魚的光感受器（圖1b，c）。注射wdr45靶向CRISPR的引導(dǎo)劑增加了5時(shí)幼蟲MDA的濃度d.p.f.與未注射的同胞相比（圖1d），因此，wdr45缺失導(dǎo)致斑馬魚鐵死亡和光感受器變性，并導(dǎo)致存活率降低。
WIPI2的功能喪失也參與自噬，但在SH-SY5Y細(xì)胞中不誘導(dǎo)細(xì)胞毒性（圖2a）。在ATG16L1缺失（圖2b）和Beclin1缺失以及ULK1/2抑制劑處理過的細(xì)胞中，下調(diào)WIPI4可誘導(dǎo)細(xì)胞毒性。WIPI4敲低與ATG16L1或ATG7/10敲低相結(jié)合，可將細(xì)胞活力降低到單獨(dú)下調(diào)WIPI4時(shí)的相似水平。與僅注射atg7引導(dǎo)物的魚相比，與針對關(guān)鍵自噬基因atg7和wdr45的CRISPR引導(dǎo)物共注射斑馬魚，降低了光感受器的活力（圖2c，d）。因此，WIPI4缺失誘導(dǎo)自噬。
圖2 WIPI4缺失誘導(dǎo)自噬
02、利用斑馬魚揭示bmp10在調(diào)節(jié)心臟鐵代謝中的關(guān)鍵作用
文章題目
bmp10 maintains cardiac function by regulating iron homeostasis
雜志：Journal of Genetics and Genomics (IF=6.6)
發(fā)表時(shí)間：2024年10月14日
作者：陳良標(biāo)、胡瑞芹、李根芳等
單位：上海海洋大學(xué)等
文章主題：
心臟病是全球范圍內(nèi)的首要致死原因，鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)控對心臟功能至關(guān)重要，鐵代謝失衡會導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟疾病。BMP10作為一種關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在心臟發(fā)育中發(fā)揮重要作用。BMP10功能障礙可能與心血管疾病中的鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)密切相關(guān)，鐵代謝調(diào)節(jié)有望作為治療與BMP10信號通路相關(guān)的肺動(dòng)脈高壓(PAH)和遺傳性出血性毛細(xì)血管擴(kuò)張癥(HHT)的潛在策略。然而，BMP10與鐵穩(wěn)態(tài)之間具體的調(diào)控關(guān)系尚不清楚。
本研究利用斑馬魚模型揭示了bmp10在調(diào)節(jié)心臟鐵代謝和維持心臟功能中的關(guān)鍵作用，包括：bmp10缺乏導(dǎo)致鐵缺乏和貧血逐漸加重；鐵缺乏性貧血導(dǎo)致缺氧，從而在bmp10−/−突變體心臟中引發(fā)繼發(fā)性鐵死亡和炎癥；BMP10-Hepcidin軸似乎通過HIF/Hepcidin和IL6/STAT3/Hepcidin途徑介導(dǎo)，BMP10缺失后這兩條途徑的過度激活促進(jìn)了心臟肥大和心力衰竭等，這些不僅深化了對心臟鐵代謝的認(rèn)識，為理解鐵穩(wěn)態(tài)與心臟疾病的發(fā)生發(fā)展提供了新視角，也為鐵代謝紊亂相關(guān)的心臟疾病治療提供了潛在靶點(diǎn)。
研究人員利用基因編輯技術(shù)，成功構(gòu)建了bmp10缺失的斑馬魚突變體。結(jié)果顯示，bmp10−/−突變體幼魚血紅蛋白含量不足，且在8周齡時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的形態(tài)缺陷，包括體型較小、鱗片突出、腹部水腫、皮膚出血及心臟肥大，同時(shí)伴隨顯著貧血。隨著表型的進(jìn)一步惡化，bmp10−/−突變體斑馬魚的心臟經(jīng)歷了從鐵缺乏到鐵超載的轉(zhuǎn)變，這種鐵超載引發(fā)了強(qiáng)烈的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的發(fā)生。該研究發(fā)現(xiàn)，早期補(bǔ)鐵能夠有效恢復(fù)血紅蛋白生成，而使用鐵螯合劑能夠緩解后期心臟肥大的癥狀。進(jìn)一步研究表明，斑馬魚bmp10缺失通過HIF1α/Hamp介導(dǎo)的低氧信號與IL6/p-STAT3/Hamp炎癥通路共同作用，影響鐵死亡，最終導(dǎo)致心臟肥大和功能損傷，加劇心臟病理變化。
圖1 bmp10缺失介導(dǎo)的心臟鐵代謝紊亂
03、低劑量MoS2通過鐵死亡誘發(fā)斑馬魚心臟毒性研究
文章題目
MoS2 Nanosheets at Low Doses Induced Cardiotoxicity in Developing Zebrafish via Ferroptosis: Influence of Lateral Size and Surface Modification
雜志：Environmental Science & Technology（IF=11.4）
發(fā)表時(shí)間：2024年11月26日
作者：鄒威、周啟星等
單位：河南師范大學(xué)、南開大學(xué)等
文章主題：
二硫化鉬（MoS2）納米片是當(dāng)前備受矚目和極具應(yīng)用價(jià)值的納米材料之一，因其廣泛應(yīng)用而不可避免地會被釋放到水生環(huán)境中，因此，探究其對水生生物的潛在毒性作用至關(guān)重要。然而，有關(guān)毒性作用及機(jī)制研究還極少見報(bào)道，尤其是貼近環(huán)境相關(guān)條件下的低劑量暴露。
本研究探究了不同粒徑和表面修飾的單層二硫化鉬（MoS2）納米片暴露對斑馬魚胚胎-幼魚發(fā)育階段的負(fù)面影響，首次發(fā)現(xiàn)非致死劑量小粒徑單層MoS2暴露誘發(fā)斑馬魚幼魚明顯的心臟毒性，并基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白免疫印跡、熒光定量PCR闡釋了MoS2通過激活細(xì)胞鐵自噬和抑制鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性誘發(fā)細(xì)胞鐵死亡，誘發(fā)下游心肌肥厚細(xì)胞通路上調(diào)，導(dǎo)致斑馬魚心臟形貌結(jié)構(gòu)發(fā)育畸形和泵血功能異常的分子途徑。
研究發(fā)現(xiàn)，在較高濃度1mg/L、5mg/L下，MoS2納米片阻礙了幼魚的生長，但并未影響其心肌生成；在非致死劑量濃度0.5–100μg/L下，小尺寸MoS2納米片（187.2 nm）可通過胚胎絨毛膜孔、皮膚、鼻腔和鰓等多種途徑進(jìn)入魚體并轉(zhuǎn)運(yùn)至心臟，誘發(fā)斑馬魚幼魚明顯的心臟結(jié)構(gòu)和功能異常；大尺寸納米片（1.638 μm）主要在暴露96小時(shí)后經(jīng)口腔攝食-消化道富集在胃腸部位，無明顯的心臟富集和心臟毒性。
轉(zhuǎn)錄組學(xué)、生化分析和計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證表明，心臟組織內(nèi)的小片徑MoS2通過誘發(fā)細(xì)胞過渡鐵自噬和抑制鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白FPN-1活性促進(jìn)Fe2+的胞內(nèi)積累，同時(shí)引發(fā)GPX4表達(dá)下調(diào)和不飽和脂肪酸酯化增強(qiáng)，最終導(dǎo)致心臟出現(xiàn)明顯的鐵死亡和心肌細(xì)胞損傷。修飾后的納米片對膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)損傷和鐵死亡效應(yīng)顯著減弱，顯著緩解對斑馬魚的心臟毒性。該研究有助于深入理解單層MoS2致毒機(jī)制及其毒性構(gòu)-效關(guān)系，為過渡金屬硫化物納米材料的設(shè)計(jì)及環(huán)境應(yīng)用提供了重要支撐。
圖1
04、基于斑馬魚揭示量子點(diǎn)通過抑制剪接體引起視網(wǎng)膜退行性損傷
文章題目
Quantum Dots-caused Retinal Degeneration in Zebrafish Regulated by Ferroptosis and Mitophagy in Retinal Pigment Epithelial Cells through Inhibiting Spliceosome
雜志：Advanced Science （IF=15.1）
發(fā)表時(shí)間：2024年10月17日
作者：何承勇、左正宏等
單位：廈門大學(xué)等
文章主題：
視網(wǎng)膜退行性病變是影響全球數(shù)百萬人的主要失明原因，其特征是視網(wǎng)膜的逐步損傷和細(xì)胞死亡。視網(wǎng)膜退行性病變通常由突變蛋白、缺氧、血管阻塞和光敏感性引起。最新的研究表明，環(huán)境污染物，如空氣顆粒物和工程納米顆粒，也可能導(dǎo)致視網(wǎng)膜退化損傷。量子點(diǎn)（QDs），作為一種半導(dǎo)體納米材料，在發(fā)光二極管、激光器、光探測器、光伏、顯示、生物成像和生物醫(yī)學(xué)等應(yīng)用中極具潛力。然而，關(guān)于包括量子點(diǎn)在內(nèi)的顆粒物對視網(wǎng)膜的影響常常被忽視。
本研究利用斑馬魚模型探究了量子點(diǎn)對眼睛發(fā)育的影響及其機(jī)制，首次發(fā)現(xiàn)了納米材料引起視網(wǎng)膜退行性病變及其潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，量子點(diǎn)被視網(wǎng)膜外RPE細(xì)胞內(nèi)吞后，通過抑制prpf8剪接因子，從而降低gpx4b剪接和成熟，引起RPE鐵死亡和線粒體自噬，進(jìn)一步導(dǎo)致斑馬魚視網(wǎng)膜退行性損傷。本研究為顆粒物引起的視覺發(fā)育損傷的作用機(jī)制提供了新見解，也為未來納米顆粒的安全使用提供了科學(xué)指導(dǎo)。
圖1 QDs胚胎暴露導(dǎo)致斑馬魚視網(wǎng)膜變性
05、利用斑馬魚發(fā)現(xiàn)鐵死亡抑制劑可顯著挽救心肌損傷
文章題目
Use of Deep-Learning Assisted Assessment of Cardiac Parameters in Zebrafish to Discover Cyanidin Chloride as a Novel Keap1 Inhibitor Against Doxorubicin-Induced Cardiotoxicity
雜志：Advanced Science （IF=15.1）
發(fā)表時(shí)間：2023年9月8日
作者：劉昌通、王毅、趙璐、吳鴻智等
單位：浙江大學(xué)藥學(xué)院、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院等
文章主題：
化療相關(guān)心肌毒性是當(dāng)代癌癥治療中常見的臨床不良反應(yīng)，并成為癌癥患者非癌因死亡的主要原因。阿霉素(doxorubicin, Dox)等蒽環(huán)類藥物是作為臨床常用腫瘤化療藥物之一，在白血病、乳腺癌等多種癌癥中都表現(xiàn)出良好的治療效果。但Dox可致心臟毒性，包括不可逆退行性心肌病和充血性心力衰竭等，嚴(yán)重限制了其臨床應(yīng)用。因此，為Dox治療患者開發(fā)有效的心臟保護(hù)藥物具有重要臨床意義。
本研究開發(fā)了一種可自動(dòng)定位斑馬魚胚胎心室并進(jìn)行心功能多參數(shù)分析的深度學(xué)習(xí)算法，并首次實(shí)現(xiàn)了斑馬魚心衰模型中的AI輔助中藥藥效物質(zhì)高內(nèi)涵篩選。通過構(gòu)建Dox誘導(dǎo)的斑馬魚心肌病（DIC）模型發(fā)現(xiàn)，Dox暴露后斑馬魚幼體心功能嚴(yán)重受損并伴有明顯心包水腫（圖1，A-B）。在比較多種細(xì)胞死亡抑制劑對斑馬魚DIC作用后，發(fā)現(xiàn)鐵死亡抑制劑可顯著挽救心肌損傷，提示鐵死亡在斑馬魚DIC發(fā)生中具有關(guān)鍵作用。
借助采集到的熒光標(biāo)記斑馬魚心臟圖像數(shù)據(jù)，手動(dòng)標(biāo)注2000余張斑馬魚胚胎心室圖像，訓(xùn)練開發(fā)計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ZVSegNet實(shí)現(xiàn)心室自動(dòng)分割，獲取心臟收縮末期面積、舒張末期面積和長短軸等心功能關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)一步通過接近300個(gè)斑馬魚心臟跳動(dòng)視頻訓(xùn)練，構(gòu)建HRNet實(shí)現(xiàn)了心率的準(zhǔn)確定量（圖1，C-D）。
圖1 斑馬魚DIC模型和深度學(xué)習(xí)算法
作為健康美麗產(chǎn)業(yè)CRO服務(wù)開拓者與引領(lǐng)者、斑馬魚生物技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，環(huán)特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動(dòng)物、人體”四位一體的綜合技術(shù)服務(wù)體系，開展健康美麗CRO服務(wù)、科研服務(wù)、智慧實(shí)驗(yàn)室搭建三大業(yè)務(wù)。目前，環(huán)特已建立200多種斑馬魚模型及腦類器官、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養(yǎng)平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！